综述 | Drug Discovery Today:先进技术——从抗生素诱导的微生物失调中修复肠道微生物

2021
08/27

+
分享
评论
微生态
A-
A+

肠道微生物群的内稳态目前被认为是人类健康的主要贡献者。




编译:微科盟如风,编辑:微科盟木木夕、江舜尧。

微科盟原创微文,欢迎转发转载,转载须注明来源《微生态》公众号

导读  

肠道微生物群的内稳态目前被认为是人类健康的主要贡献者。此外,肠道生态失调与多种后果有关,包括耐药或致病菌在肠道内定植,如艰难梭状芽孢杆菌Clostridioides difficile,以及使得有前景的抗癌免疫疗法的疗效降低。到目前为止,导致生态失调的最直接、最严重的暴露是抗生素治疗。人们已经做了许多尝试来预防或修复抗生素相关的生态失调。在这里,我们回顾了这些创新及其发展过程中的困难。该研究对于影响肠道微生物群稳态的因素尤其是抗生素的影响进行了详细的阐述,提出了保护肠道微生态稳态的方法,并对未来研究提出了展望,对于研究肠道微生态的稳定,及减少抗生素对肠道的负面影响的相关研究提供了新的思路。


 

论文ID


 

名:Spare and repair the gut microbiota from antibiotic-induced dysbiosis: state-of-the-art

从抗生素诱导的微生物失调中修复肠道微生物:最先进的技术

期刊Drug Discovery Today

IF:7.851

发表时间:2021.2.25

通讯作者:Antoine Andremont

通讯作者单位:法国巴黎Da Volterra,法国巴黎大学


综述框架



主要内容


1 健康和疾病中的微生物群
肠道菌群的内稳态被认为对人体健康至关重要。肠道微生物群内稳态的研究开始于微生物学历史的早期,但相当不精确,直到基因组技术和高通量测序的重大进展给它带来了巨大推动,并且持续了30年。然而,正常微生物群的确切构成仍然没有明确的定义,而且就微生物群的精确物种组成而言,很可能一直如此。事实上,如果所有健康的研究对象在组成微生物群的细菌组、属和门之间保持相对保守的平衡,那么在物种、亚种或支系方面的确定组成可能会因研究对象的起源、基因、饮食和生活习惯而有很大差异。关于微生物群在健康和疾病中的重要作用更可能由微生物群对宿主发挥的功能来体现,从而影响其代谢及其免疫反应。针对外源微生物,塑造宿主对定植和感染或对微生物群其他成员的抵抗力,以维持细菌种群之间相互作用的稳健性,而不是微生物群从一个健康对象到另一个健康对象的精确复制。毫无疑问,在复杂的联系中,各种类型的细菌最终可能在宿主内行使相同的功能:这与在其他生物系统中观察到的相似,被称为趋同平行进化
与缺乏对正常微生物群的精确定义形成鲜明对比的是,已经有无数的研究解释了不同情况或疾病下个体微生物群的变化。这样的研究大致可以分为两种类型。第一类研究包括将受多种状况或疾病影响的个体微生物群与缺乏该状况或疾病的对照受试者的微生物群进行比较。在这样的研究中,结果的价值必须根据对照组所选择的情况来衡量。其目标是尽量减少病例和对照之间除正在研究的特征外的其他所有特征的差异。然而,在检测混杂因素方面常常存在一些困难,可能会降低结果的有效性。第二类研究包括比较受试者接受干预之前和之后的微生物群以观察微生物群随时间变化,试图将这些变化与所研究干预的暴露联系起来。然后,关键的一点是包括一个没有接触到所研究的干预措施的受试者的对照组,以避免将微生物群中不相关的变化归因于干预措施,而这些变化只是在健康人身上观察到的变化。事实上,许多这类研究都缺乏这种控制。困难之一是许多因素,包括衰老,影响了微生物群内细菌群体的平衡。有人建议,可以将一个特定对象的微生物群分配给一个特定的“肠型”。然而,尽管这一概念在某些情况下可能被证明是有用的,但它并没有获得广泛接受。
 
用于描述微生物群的方法  
试图确定健康与疾病之间微生物群落组成差异的研究中,另一个关键点是选择用于评估组或时间点之间差异的终点。如果正在研究如何保护微生物群免受各种影响并评估其保护的有效性,这一点就特别重要。基于微生物的基因组学描述已经超越了传统的基于培养的微生物学技术,以充分描述微生物群。一个明显的反例是对抗生素抗性细菌和酵母菌的检测,就基因组学而言,基于16S核糖体RNA 16S rRNA)基因测序的方法首先用于描述微生物群的多样性和组成。这些方法是基于不同细菌16S rRNA基因某些区域的序列不同这一事实,允许大规模测序来识别和命名其所存在的分类学单位,且通常在属水平。然而,从这些基于16S rRNA基因的技术中获得的定量信息(即检测到的每个分类单元的相对丰度)是有限的,因为它们包括初始聚合酶链反应步骤。此步骤增加了通过测序鉴定的靶标的数量,因此,不仅增加了该技术的灵敏度,而且还引入了偏倚。所以,基于相应测序读长的相对丰度归因于每个分类单元的相对丰度与原始样本中的不完全相同。
原始样品的高通量“宏基因组测序”,即微生物样品中所有基因组DNA的直接测序(也称为鸟枪宏基因组测序)没有这种偏倚。它的另外一个优点是可以在物种甚至菌株水平上识别细菌分类群(如果有足够的测序信息)。而且,该方法能够检测、鉴定和定量样品中存在的所有基因。这可能包括对抗生素耐药性描述所谓的抗性基因或与那些特定代谢相关的途径,从而可以描述微生物群所具有的功能。高通量宏基因组测序曾经非常昂贵,无法用于描述微生物群的大型研究。但是,情况已不再如此。然而,这些方法的一个局限性是,少数群体,如占肠道细菌总数的10-610-7,可能具有很大的功能价值,如多重耐药肠杆菌,经常被忽视。因此,在寻找特定功能时,通过某种类型的培养学或通过能够选择感兴趣的基因的方法来补充传统的宏基因组学是很重要的。如在宏基因组中捕获抗生素耐药性基因的方法,在宏基因组学中得到了首创。
然而,即使对微生物群组成及其所含基因进行最精确的描述,也几乎没有关于所谓的“人体最后的器官”有效执行的实际功能信息。当前,缺乏一种可以用于大规模研究的方法来评估微生物群的功能。对样本中存在的所有RNA(即有效表达的基因)进行广泛测序是一种尝试,通过组成肠道化学圈的无监督代谢组学对所有代谢物进行广泛鉴定也是一种尝试。在撰写本文时,这些方法中没有一种被认为是足够实用和可负担的,不足以构成一个标准。存在极为繁琐的方法试图从实验角度评估实验动物在体外或离体环境中的微生物的功能,但这些方法仍然是探索性质的。
 
生态失调是一种未被认识的疾病
尽管如前所述,人们的认识存在局限性,但科学和医学界以及公众都普遍认为生态失调(即微生物群稳态的改变)是健康状态的一种偏差。人们普遍且正确的信念是,生态失调通常是受试者暴露于外部因素(如饮食习惯或摄入各种药物)的结果。最重要的是,人们已经充分认识到,在滥用和误用抗生素半个世纪后,目前令人担忧的抗生素耐药性(也称为抗菌素耐药性或“AMR”)的增加是通过这些神奇药物在治疗期间对微生物群的影响来调节的。每次肠内或肠外施用抗生素后,抗生素残留到达结肠并影响微生物群。它们会引起真正的生态灾难,并带来直接后果,例如高密度耐药细菌的定植(可在患者之间传播并引起医院内爆发),致病菌如艰难梭菌Clostridioides difficile(可导致结肠炎),甚至酵母菌如白色念珠菌Candida albicans(可导致免疫功能低下患者严重感染)且可能造成长期影响。例如,人们认为在儿童时期接触抗生素会导致数年后的肥胖,因为微生物群失去了关键的细菌成分。在成人中,最近有人怀疑抗生素可能会降低用于治疗癌症患者的免疫检查点抑制剂的疗效,因为这些极有前途的免疫疗法的活性是通过抗生素所消除的微生物群的特定成分介导的。
 
4 保护微生物群以免受抗生素引起的生态失调

由于上述所有原因,长期以来人们一直在寻求在抗生素治疗过程中保护微生物群免受失调的影响。为了实现这一目标,人们提出了几种方法。

 
4.1 微生物补充与替代
在抗生素治疗的早期,人们大力提倡简单摄取发酵乳制品以保护微生物群,这种做法至今仍受到许多患者的青睐。还提出了口服微生物补充剂,以替代通过抗生素处理从微生物群中消除细菌。这种微生物在全球范围内被称为“益生菌”,包括酵母菌或各种类型的细菌,特别是乳酸菌。其他策略依赖于所谓的益生元 这是一种特定的营养物,可以诱导某些细菌菌株的生长或活性。为了提供关于微生物选择的科学依据,已经发表了大量关于其所谓影响的工作。对照研究大多未能表现出显著的临床效益,但实践仍然存在,而这些益生菌和益生元的销售依然重要。显然,公众对这种预防疗法的普遍兴趣是寻求开发更合理的方法。在明确证明粪便微生物移植对重症复发的患者非常有益后,过去十年来,粪便微生物移植对艰难梭菌C. difficile感染的严重形式和复发的患者非常有益,这一发现明确地证明了用“健康”微生物群替代受损微生物群的有益效果。遵循这一概念验证,几家公司开发了包含多种细菌种类的产品,这些产品或多或少完全模仿一个或其子集的健康微生物群,目的是在患者的微生物群被破坏后重组或补充。即使这些高度复杂的产品还没有上市,也有一些处于不同的开发阶段(图1)。
 

图1 临床发展中主要基于微生物的预防艰难梭状芽胞杆菌Clostridioides difficile感染复发(绿色)和艰难梭状芽胞杆菌Clostridioides difficile感染一级预防(蓝色)的方法。
 
4.2 保护微生物菌群免受β-内酰胺类抗生素的侵害
β-内酰胺类抗生素包括引入青霉素后开发和销售的天然或半合成药物。它们目前是抗生素市场上最重要的部分(近65%)。鉴于这种优势地位,β-内酰胺类抗生素一直是那些试图开发创新产品、在抗生素治疗期间保护肠道微生物群的人的首要目标。
β-内酰胺具有两个显著特征。首先,它们都具有共同的化学结构,其完整性对于抗生素活性必不可少。其次,由多种细菌产生的多种天然酶(称为β-内酰胺酶)可以水解该化学结构并使抗生素失活。病原菌分泌的β-内酰胺酶构成了对β-内酰胺类抗生素产生抗性的强大机制。因此,制药商为克服这一问题做出了巨大的努力,要么开发出对最广泛传播的β-内酰胺酶具有抗性的环状物,要么开发出作为配套药物的酶抑制剂,以保护抗生素的活性在治疗过程中不受β-内酰胺酶的影响。然而,在抗生素开发商和酶的自然进化之间的竞赛中,进化总是赢家,它产生的酶甚至可以水解最复杂的β-内酰胺类抗生素。
20世纪80年代,我们开始认识到肠道菌群是抗生素治疗过程中选择并促进耐药菌生长的生态系统,而β-内酰胺的上述两个特征也为我们创新的想法铺平了道路:也许它可通过给予患者口服β-内酰胺酶,可以保护β-内酰胺治疗过程中的微生物群,该酶可以到达结肠并破坏β-内酰胺残基,然后诱导微生物群改变并引发生态失调。这一想法是对早期观察结果的延伸,早期观察结果表明,携带肠道共生β-内酰胺酶产生菌的患者和接受头孢菌素治疗的患者较少被致病性细菌(如艰难梭菌C. difficile)定植,并且没有显示可测量的粪便抗生素。这是很有成效的:芬兰的IPSAT公司(已停业)及其开发这种产品的后续公司Synthetic Biologics(美国)成功地在第一阶段和第二阶段的临床研究中确立了这种方法的概念证明。他们表明,在患者血液中的抗生素浓度和相关治疗活性不受影响的情况下,保存微生物群并防止抗生素耐药性和艰难梭菌C. difficile感染的出现是可能的。III期研究正在等待中。事实上,这些结果表明,如果某些β-内酰胺残留物可以被产生β -内酰胺酶的共生细菌(如拟杆菌Bacteroidetes)从微生物群中去除,这种活性将不足以充分保护所给予的微生物群:(i)治疗期间可到达结肠的抗生素量大;(ii)事实是,一些抗生素与β -内酰胺酶抑制剂一起使用,后者也可以到达结肠并抑制这些固有的β -内酰胺酶的活性。
 
4.3 保护微生物群免受所有类型抗生素的影响
确保在β-内酰胺类抗生素治疗过程中对微生 物群的保护的做法令人兴奋,但由于许多患者会同时接受β-内酰胺与其他类型的抗生素以获得协同效应或防止耐药性的产生,因此受到限制。由于这些原因,已经开发出了一种更广泛的方法,建议使用一种精心挑选的吸附剂来代替β-内酰胺酶以预防生态失调,这种吸附剂可以隔离和灭活所有类型的抗生素,并将在抗生素治疗期间使用。与β-内酰胺酶类似,尽管适用于所有的抗生素,但它可以保存微生物群,同时不会降低抗生素治疗的血液水平。临床前数据表明这种方法是高度可行的:它可以大幅降低艰难梭菌C. difficile-相关死亡率,以及耐药细菌的肠道定植。I期临床阶段的志愿者已经有强烈的动机去施行这种做法,有合并症的住院患者的阳性结果刚刚在第二阶段研究中被提出,第三阶段的研究也正在等待中。
 
4.4 从临床试验到市场认可
前面介绍的各种途径都很有希望。从抗生素相关的生态失调中保存微生物群似乎是可行的。抗生素相关的生态失调与疾病状态或感染之间的相关性已得到证实。然而,这些产品的开发存在一个主要的局限性,即肠道内的失调或耐药微生物的定植尚未被认为是一种疾病状态本身,或从调控的角度来看,可能作为一种急性或慢性疾病的有价值的替代标记。在一种药物获得市场批准之前,必须显示出其本身的临床效益。鉴于抗生素引起的生态失调的临床后果相对罕见,并且/或在治疗结束后很长一段时间内发生,证明通过微生物保留策略可预防的III期临床试验的规模(以及因此而产生的成本)将非常高。这是推广这种方法的生物技术公司面临的主要问题,也凸显了这些产品永远无法进入市场的风险。对于越来越多的证据表明抗生素诱导的生态失调是导致重要公共卫生问题的主要因素,这将是令人遗憾的,因为越来越多的证据表明,抗生素诱导的菌群失调是AMR等重要公共卫生问题的主要原因,从而增加了肠道内AMR微生物的绝对数量,促进了它们的传播和流行病爆发,特别是在医院。它们还可能阻碍有前途的抗癌免疫疗法的充分有效性。鉴于提出控制抗生素耐药性的创新手段的紧迫性,以及人们未能找到新抗生素的经济利益基础,人们可能会想,考虑经济现实的新方法是否不应该成为开发微生物保护疗法的思路。例如,在获得证明该微生物群得到保护的数据后,可以颁发临时市场批准,将临床疗效的充分证明留到上市后。这将对明确和重要的医疗需求的必要性和生物技术公司开发创新药物的财政限制协调进行解决。


本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
微生物群,内酰胺酶,抗生素,耐药性,肠道,方法,测序,生态

人点赞

收藏

人收藏

打赏

打赏

我有话说

0条评论

0/500

评论字数超出限制

表情
评论

为你推荐

推荐课程


社群

精彩视频

您的申请提交成功

确定 取消
剩余5
×

打赏金额

认可我就打赏我~

1元 5元 10元 20元 50元 其它

打赏

打赏作者

认可我就打赏我~

×

扫描二维码

立即打赏给Ta吧!

温馨提示:仅支持微信支付!